文/錢進浩·蘇州銀濤精密鍛造有限公司胡亞民·重慶理工大學(xué)

漸開線傳動花鍵軸冷擠壓成形

文/錢進浩·蘇州銀濤精密鍛造有限公司胡亞民·重慶理工大學(xué)

冷擠壓技術(shù)是一種高精度、高效率、節(jié)材節(jié)能的先進鍛造工藝，較多應(yīng)用于中小型鍛件的批量化生產(chǎn)。如圖1所示為某農(nóng)用機械變速器的漸開線花鍵傳動軸，其參數(shù)為：z=15，M=1，a=30°，參考標(biāo)準(zhǔn)為GB/T3478.1-1995。漸開線花鍵總長為58.2mm，其中漸開線花鍵的有效長度要求大于54mm。硬度要求在24～26HRC間，表面發(fā)黑處理。由于此漸開線花鍵齒形部分較長（大于半徑3倍），采用機械加工工藝來成形齒形無法滿足大批量生產(chǎn)的需要。因此，綜合考慮后采用冷擠壓的工藝來生產(chǎn)該產(chǎn)品。

圖1漸開線傳動花鍵軸

成形原理

漸開線齒形花鍵軸的冷擠壓主要是采用減徑擠壓方法。減徑擠壓是一種變形程度較小的正擠壓方法，其坯料的斷面僅作輕度的縮減，且減徑擠壓力低于被擠壓材料桿部的屈服力。此方法主要用于各種齒形零件及長軸類零件的成形。冷擠壓漸開線花鍵時，擠壓模具安裝于擠壓設(shè)備的工作臺面上，工件坯料裝在上、下模具型腔內(nèi)。當(dāng)擠壓上模向下運動時，迫使工件坯料進入擠壓凹模的齒形型腔內(nèi)。隨著擠壓上模的不斷向下運動，擠壓凹模的齒形型腔和工件坯料接觸，即在工件坯料外表面上壓出同擠壓凹模齒形相同的齒形來。

冷擠壓工藝

⑴冷擠壓件的制定?；ㄦI軸的齒形部分采用減徑擠壓的方式進行冷擠壓加工，小孔和兩端采用后續(xù)機械加工方法加工。

⑵確定齒形部分的擠壓坯件直徑。在冷擠壓工藝中，齒形部分?jǐn)D壓坯件直徑的確定是決定擠壓工藝成功的關(guān)鍵因素之一。正確的擠壓坯件直徑一般在分度圓（或齒中徑）附近，其計算公式見式（1）：

式中dm——為擠壓坯件直徑，mm；

d——為零件的齒輪分度圓（或中徑）直徑，mm；

△d——為直徑的變化量，是由擠壓件的結(jié)構(gòu)和材料性能來決定的。

用式（1）確定的擠壓件直徑只是理論值，最終的直徑還需要在試驗中確定。

⑶擠壓坯件的準(zhǔn)備：

①原始棒料的軟化退火處理。由于該花鍵導(dǎo)軸的材料為中高強度的結(jié)構(gòu)鋼（45號鋼），其供應(yīng)狀態(tài)下的棒料具有較高的強度和硬度，且內(nèi)部組織不均勻。因此，在冷擠壓之前必須對擠壓坯件進行軟化退火處理，以改善材料的切削加工性能，提高塑性變形性能，降低變形抗力，退火后硬度在140～170HBS間。

表1W 6Mo5Cr4V2材料的化學(xué)成分      （ω，％）

②擠壓坯件的加工。在車床上對經(jīng)過退火后的坯料進行加工。加工擠壓坯件時，要求各臺階具有較好的同軸度，且表面質(zhì)量較好。

③擠壓坯件的表面潤滑處理。在漸開線花鍵的冷擠壓成形過程中，其變形區(qū)域集中在齒形附近，使該處的金屬流動非常激烈，變形程度大。要獲得表面質(zhì)量良好的齒形擠壓件，必須對車加工以后的擠壓坯件進行表面潤滑處理。該工藝采用以磷酸鋅鹽為主要原料的磷化液對擠壓坯件進行表面處理，然后用熔融的硬脂酸肥皂作皂化液進行表面潤滑處理。

模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

⑴冷擠壓模具結(jié)構(gòu)。該冷擠壓模具結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示，其特點是上、下模具采用導(dǎo)向套進行導(dǎo)向，導(dǎo)向精度較高，模具結(jié)構(gòu)簡單，加工方便。上模采用堅固螺帽進行緊固，下模采用下模壓板進行緊固，這樣有利于上、下模具的“對中”，且更換模具較快。

圖2冷擠壓模具結(jié)構(gòu)示意簡圖

⑵漸開線花鍵擠壓齒形模芯的設(shè)計。對模芯的設(shè)計主要包括選擇合適的齒形參數(shù)和齒形直徑，確定擠壓過渡段、擠壓段和頂出回程段的角度、長度和圓角大小。

模芯的齒形設(shè)計要求能夠按規(guī)定的齒厚和齒高冷擠出符合要求的工件齒形來，所以模芯齒形的模數(shù)及齒數(shù)應(yīng)與工件相同。考慮到擠壓工件的熱脹冷縮以及模具和擠壓工件的彈性恢復(fù)等問題，模芯齒形的壓力角和變位系數(shù)不能與花鍵軸的齒形壓力角或變位系數(shù)相同。

一般情況下通過修正模芯齒形變位系數(shù)來保持壓力角不變。其變位系數(shù)主要與齒輪的模數(shù)、壓力角和擠壓變形程度有關(guān)。

模具材料和熱處理

為了滿足擠壓件大批量、高精度的要求，溫鍛選用了W 6Mo5Cr4V2來制造其凹模。W 6Mo5Cr4V2材料的化學(xué)成分大致見表1。

淬火工藝大致是：預(yù)熱730～840℃，淬火溫度為（鹽浴爐1210～1230℃，箱式爐1210～1230℃），回火溫度540～560℃，熱處理后的硬度在60～62HRC間。冷擠異形孔凸模則采用新型冷鍛模具材料LD（7Cr7Mo2V2Si）鋼來制造，LD鋼的淬火溫度較穩(wěn)，一般在1100～1180℃之間，回火溫度在510～620℃間。但為了要充分發(fā)揮LD鋼的高強度、高韌性優(yōu)勢，必須選擇合理的熱處理工藝。淬火和回火溫度的選擇與LD鋼的硬度、晶粒度、殘留奧氏體數(shù)量和力學(xué)性能等有關(guān)。我們經(jīng)過多次對比試樣和大批量生產(chǎn)中產(chǎn)品的壽命得出，汽車轉(zhuǎn)向螺桿冷擠壓用沖頭（LD鋼制造）的熱處理工藝為：1125℃±5℃淬火，550℃±5℃回火，其綜合性能較好，且模具使用壽命較高。

結(jié)束語

經(jīng)實踐檢驗，該花鍵軸成形工藝設(shè)計合理，工藝方案正確可行，所有尺寸均達到了圖紙要求，經(jīng)送交客戶組裝整車試驗，得到好評。目前此產(chǎn)品已經(jīng)開始大批量生產(chǎn)。需要注意的是在進行工藝試驗時，應(yīng)謹(jǐn)慎地將模具裝配好，以保證產(chǎn)品的尺寸。